Материал: Биполярные и полевые СВЧ транзисторы

Варизонные БТ (ВБТ). Благодаря возрастанию ширины запрещенной зоны от коллектора к эмиттеру в ВБТ n-р-n по всей структуре для неосновных носителей заряда имеется встроенное поле Евстр. Это поле, с одной стороны, ускоряет пролет инжектированных электронов через базу (как в дрейфовых БТ), а с другой - препятствует инжекции дырок из базы в эмиттер (как в плавном гетеропереходе). Эффект уменьшения времени задержки дрейфового пролета (tб(DЕв) » dб/2mЕвстр = d2бq/2mDЕд) в варизонной структуре значительно превышает аналогичный эффект в дрейфовом транзисторе (в котором Евстр обусловлено неоднородным легированием базы и по порядку величины его произведение на толщину базы (dб) не превышает нескольких кТ/q ).

Рис.6

Так при DЕд = 0,15 эВ, dб = 5×10-5 см получаем Евстр = 5 кВ/см. При этом tб при Nб = 1018 см-3 составит приблизительно 5 пс. Энергетическая диаграмма такой структуры приведена на рис.6.

. Полевые СВЧ транзисторы

В отличие от БТ, где управление потоком не основных носителей осуществляется заданием тока инжекции из эмиттера, в ПТ осуществляется управлением потоком основных носителей заданием поля (потенциала) на затворе, как это реализовывалось в вакуумных приборах.

Принято разделять ПТ СВЧ на три группы (рис.7 а, б, в, соответственно):

- ПТ, в которых в качестве затвора используется р-n-переход, или контакт металл-полупроводник (МЕППТ, барьер Шоттки), а пространство между истоком и стоком имеет один тип проводимости;

- ПТ с затвором в виде металл-диэлектрик-полупроводник (МДППТ, МОППТ), а тип легирования областей стока и истока противоположен легированию области затвора;

- ПТ с гетероструктурными затворами (ГСПТ).

Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТ с барьером Шоттки (рис. 7 а). В них, в высокоомной подложке, выполненной из арсенида галлия, создан эпитаксиальный проводящий канал n-типа. Через невыпрямляющие контакты (n - металл истока и стока) этот канал подсоединен к выводам истока и стока, между которыми расположен затвор (З) на границе которого с n-каналом образован барьер Шоттки.

Рис.7

При приложении внешних, питающих напряжений в канале протекает ток, приводящий к падению напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. Обедненный слой, по этой причине является несимметричным.

Одним из основных параметров ПТ, определяющим частотные свойства, является время пролета носителей заряда в канале tк = lк/Vнас, где lк - длина канала lк = l1 + l2 + l3; Vнас- дрейфовая скорость насыщения носителей заряда в канале.

Следовательно, для получения СВЧ прибора необходимо иметь малую lк и большую Vнас, т.о. формируются основные требования к материалу и геометрическим размерам ПТ.

В качестве материала применяют арсенид галлия, т.к. подвижность в нем в 6 раз выше, чем у кремния (4700 см2/В×с), а предельная скорость насыщения больше в 2 раза, причем достигается она при значительно меньших электрических полях (0,9×105м/с и 1,8×105м/с). Применяется также и фосфид индия InP, дрейфовая скорость в котором в 1,5 раза выше, чем у арсенида галлия.

Величина lк снижена до 0,5 - 2,0 мкм, при этом ток прибора, а следовательно - мощность повышается за счет увеличения ширины канала (в) до 2 - 3 мм и создания многоканальных структур (см.рис.8), где приведены структуры ПТ гребенчатого типа и структура с двумя выводами затвора.

Для ПТ fт более 4 ГГц реализованы структуры с l3 = 1,5 мкм, l1, l2 = 1,0 и 2,0 мкм, lк =2,6 мм, n = 30 единичных структур соединенных параллельно с Рвых =2,0 Вт. Уменьшение длины канала неблагоприятно сказывается на значение коэффициента отражения от входа, что затрудняет согласование ПТ с входом СВЧ тракта.

Преимущества ПТ заметно проявляются с повышением рабочей частоты. Так на 6 ГГц получена мощность 25 Вт при КПД 50% и коэффициенте шума 3 дБ на 15 ГГц 2 Вт, КПД 20 - 25%, шум 3 - 6 дБ, для частоты более 18 ГГц промышленность БТ вообще не выпускает, а ПТ на 18 ГГц дают мощность более 1 Вт, КПД 10 - 20%, шум 5 - 8 дБ.

Малошумящие ПТ имеют коэффициент шума 0,7 дБ на 4 ГГц, 1,7 на 12 ГГц, менее 3 дБ на 18 ГГц, причем коэффициент усиления последних равен 5 дБ.

В ближайшее время ожидается получение ПТ с частотами порядка 30 ГГц с выходной мощностью 1 Вт и коэффициентом шума порядка 3 дБ.

«Низкочастотные» ПТ обычно имеют планарную металлизацию вида рис.8 а - г.

транзистор коллектор туннелирование квантовый

Рис. 8

. Сверхбыстродействующие транзисторы

Баллистические и аналоговые транзисторы

Быстродействие транзисторов определяется временем пролета носителей заряда от эмиттирующего носители электрода (эмиттера, истока) до принимающего электрода (коллектора, стока) (В дальнейшем мы будем говорить только об электронах, хотя все остается справедливым и для дырок). Это время определяется скоростью и расстоянием, предел уменьшения которого накладывается технологическими трудностями. Для увеличения скорости используется электрическое поле либо контактное, либо внешнее, разогревающее электроны, и обычно чистый, беспримесный полупроводник, обеспечивающий электронам возможность свободного безстолкновительного пролета, или, как принято говорить, возможность инерционного, баллистического пролета. Быстродействующие (СВЧ) транзисторы можно условно разделить на пять групп: 1) Баллистические электронные транзисторы (БЭТ) с гетероструктурой и туннельным эмиттером; 2) БЭТ с планарно-легированными барьерами; 3) БЭТ с варизонными барьерами и индуцированной базой; 4) полевые транзисторы с переносом заряда в пространстве; 5) полевые транзисторы, аналогичные по своей структуре вакуумным триодам и поэтому названные аналоговыми транзисторами. Рассмотрим все их последовательно.

) БЭТ с туннельным эмиттером или туннельный транзистор на горячих электронах (ТТГЭ), как и обычный биполярный транзистор (БТ) имеет эмиттер, базу и коллектор, но, в отличие от БТ, у него все они имеют один и тот же тип проводимости, то есть ТТГЭ униполярный транзистор. За счет этого снижаются емкости эмиттерного и коллекторного переходов (нет диффузионной емкости, связанной с неосновными носителями) и, соответственно, повышается предельная частота. На рис.9 показана гетероструктура зоны проводимости ТТГЭ.

Рис.9

Начальная скорость в ТТГЭ определяется потенциалом VЭБ, но при превышении энергии »» 0,7 в начинается потеря скорости из-за взаимодействия с фононами и примесями. Расчеты показывают, что при толщине базы 50 м, когда ее пролетают баллистически около 60% электронов, время пролета составляет »» 0,3 псек, однако при этом на величину предельной частоты влияет большая постоянная времени RбС переходного процесса в (БЭТ) (где С - емкость эмиттерного перехода) и приходится уменьшать сопротивление базы Rб путем ее легирование примесями. Это касается не только ТТГЭ, но и всех БЭТ, поэтому их часто называют транзисторами с легированной базой.

) БЭТ с планарно легированными барьерами - это обычно семислойная структура (рис.10 в которой эмиттерный и коллекторный барьеры образованы каждый двумя контактами  и , причем - слои имеют толщину (»»25нм) на порядок меньше, чем i-слои эмиттера и коллектора и n-слой базы (на рис.10 сплошная линия показывает зону структуру в отсутствии внешних полей, а пунктирная линия - при рабочих напряжениях на электродах).

Рис.10

Горбообразные барьеры эмиттера и коллектора получили название планарно-легированных барьеров, проходя которые в эмиттере электроны получают энергию, позволяющую им баллистически пролетать базу и коллектор. По оценкам предельная частота таких транзисторов может быть более 200 ГГц.

) БЭТ с варизонными барьерами и индуцированной базой. Варизонный барьер - это барьер использующий полупроводник с переменной по длине концентрацией его компонент, в результате чего ширина запрещенной зоны оказывается изменяющейся вдоль этой длины. Обычно это полупроводник  причем х меняется по глубине эмиттера (на рис.11 зонной структуры такого БЭТ: 0<x<0,3).В результате эмиттерный переход оказывается имеющим такую же форму как и в предыдущем типе БЭТ (рис.10).

Коллектор может быть сделан с планарно-легированным барьером, а может быть в виде резкого гетероперехода, как показано на рис.11.

При этом базовая область не легирована и в равновесном состоянии она не проводящая, а при приложении напряжения к коллекторному переходу электрическое поле проникает в область базы и там индуцируется вырожденный электронный газ у стенки гетероперехода. Поэтому такие транзисторы называются транзисторами с индуцированной базой (ТИБ).

Рис.11

Малая толщина базы и ее высокая проводимость обеспечивает быструю зарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и баллистический пролет электронами базы и коллектора, что создает у ТИБ высокое быстродействие (порядка долей пикосекунд) Принцип работы ТИБ такой же как и у транзисторов с металлической базой, которые будут рассмотрены позднее. Необходимо отметить, что работа всех трех типов БЭТ рассматривалась выше весьма схематично. В действительности в поведении БЭТ много особенностей и в настоящее время исследованы и уже нашли применение разновидности таких БЭТ, использующие не только GaAs и AlGaAs но и GaInAs, InAs, AlSb, GaSb и др, причем часть из них работает при температуре 77К, а целый ряд хорошо функционирует и при 300К.

) Полевые транзисторы с переносом заряда в пространстве. Эти транзисторы имеют две особенности, каждая из которых может использоваться либо в отдельности, либо обе вместе. Первая особенность - создание отрицательного сопротивления (ОС) в канале и такие полевые транзисторы (ПТ) называют ПТОС. Вторая особенность - инжекция заряда (ИЗ) из основного канала и такие транзисторы - ТИЗ. Канал такого ПТ сделан в виде гетероструктуры с селективным легированием, зонная модель которой в поперечном сечении канала показана на рис.12. В нелегированных слоях (i-GaAs) подвижность электронов значительно выше, чем в легированных широкозонных n+AlGaAs. При отсутствии внешнего поля в канале все электроны находятся на более нижних уровнях. то есть в слоях i-GaAs, куда они переходят из-за того, что там более низкое положение по энергии, из широкозонного легированного слоя, где они образуются. Это определяет высокую подвижность электронов и быстродействие таких ПТ. При пропускании тока по каналу, то есть параллельно границам слоев, происходит два процесса.

Во-вторых электроны, набирая энергию от поля, поднимаются вверх по энергетической оси и попадают в высоколегированные слои n+AlGaAs (волнистые стрелки на рис.12), где их подвижность еще больше уменьшается. В итоге выходная вольт-амперная характеристика такого ПТ (iси = f(Uси)) получает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ПТОС). Величина iси может, как и в обычном ПТ, регулироваться напряжением на затворе.

Рис.12

Однако если в таком ПТОС сделать проводящую подложку из n-GaAs и подсоединить к ней четвертый электрод, то из i-GaAs разогретые электроны через варизонный слой i-AlxGa1-x As будут инжектироваться в эту подложку-анод и весь прибор станет аналогом обычного вакуумного тетрода, в котором роль катода играет канал i-GaAs, роль первой сетки играет затвор, а роль второй сетки-сток. Структура такого ПТ и его поперечная зонная диаграмма показана на рис.13.

Рис.13

Видно, что второй слой AlGaAs сделан варизонным с тем, чтобы обеспечить хорошую инжекцию электронов в n-слой GaAs и к четвертому электроду с потенциалом VA. Ток этого электрода зависит от VA при вариации Uис так же как в вакуумном триоде, а ток icи дает зависимость от Uси с участком ОС лишь при больших VA. В ряде конструкций затвор вообще отсутствует, а электрод подложки помещается справа, параллельно стоку.

) Аналоговые транзисторы. Эти транзисторы являются разновидностью ПТ вертикального исполнения с затвором в виде сетки (решетки). Хотя идея создания таких транзисторов была предложена полвека тому назад, преодолеть, и то лишь частично, технологические трудности удалось только в последние годы. Условно аналоговые транзисторы можно разделить на три группы, каждая из которых имеет много разновидностей.

а) Транзистор со статической индукцией (СИТ). Это транзистор с затвором в виде сетки из p-n-переходов, типичная структура которого показана на рис.14. Так как электроны движутся в нелегированном i-слое, они имеют высокую подвижность, что и определяет быстродействие СИТ. Конструкция СИТ напоминает конструкцию обычного вакуумного триода и поэтому СИТ имеет характеристики, похожие на аналогичные характеристики триода. В ряде конструкций вместо сетки используются более расширенные области р+ полупроводника возле затвора и вместо i-слоя -n-слой. В других исток и затвор располагаются практически в одной плоскости, а в фототранзисторах (ФСИТ) исток при этом выполнен прозрачным для света. В туннельных СИТ (СИТТ) в истоке стоит обратносмещенный р+-n+ (туннельный) переход, дающий высокую плотность тока.

Рис.14

б) Транзистор с проницаемой базой (ТПБ) является аналогом СИТ, у которого сетка выполнена из тончайших полосок металла (тантал, молибден, вольфрам шириной 0,1-0,5 мкм), а вместо i-слоев используется легированный полупроводник с концентрацией примесей 1016-1017 см-3 толщиной »»0,3 мкм - истокового слоя и »»2мкм - стокового. Расчеты показывают. что максимальная частота ТПБ растет с уменьшением ширины полосок сетки, достигая 600 ГГц при ширине 0,1 мкм, причем это уменьшение должно сопровождаться ростом концентрации примесей. Управление током исток-сток осуществляется напряжением на барьере Шоттки между металлом затвора и полупроводником. Характеристики ТПБ подобны характеристикам СИТ.